Optimalizácia snímania obrazu plochými detektormi pre systémy ADR
NDT vo výskume, vývoji a aplikácii
Optimalizácia snímania obrazu plochými detektormi pre systémy ADR
Postupný vývoj technológie odlievania hliníka a horčíka otvára stále nové a rozmanitejšie oblasti použitia, napríklad pri znižovaní hmotnosti a úsporách energie v automobilovom priemysle. Röntgenová technológia je spoľahlivá skúšobná metóda, ktorá sa používa na zabezpečenie kvality odliatkov dôležitých pre bezpečnosť, dnes implementovaná do plne automatických testovacích systémov (systémy ADR).
Reťazec na získanie obrazu (röntgenová trubica - filter - detektor) má veľký význam bez ohľadu na algoritmy použité na vyhodnotenie obrazu. V zásade rozhoduje na jednej strane o spoľahlivom zisťovaní porúch a na druhej strane o počte častí, ktoré sú chybne odmietnuté ako chybné (pseudo odmietne).
V článku vplyv rôznych faktorov ako napr
- Hluk (vrátane príčin hluku)
- Čas snímania obrazu
- Vplyv rôznych parametrov skúmavky (kV a mA)
- Účinok vytvrdzovania žiarenia predfiltrmi
- Účinok geometrického rozmazania (FDA/FOA)
- Pohyb objektu, ktorý sa má zaznamenať počas snímania obrazu
Vykonané merania sa vzťahujú na digitálne ploché detektory s 12-16 bitovým rozlíšením.
Generovanie signálu na ASD
Pomocou detektora amorfného kremíka (ASD) sa röntgenové kvantá prevedú na svetelné kvantá vo scintilátorovej vrstve. Silnejšia vrstva generuje viac svetelných kvanta pre daný počet röntgenových kvant, ale spôsobuje stratu geometrického rozlíšenia. Detektory tohto typu sú k dispozícii s rozlíšením pixelov od 80 µm do 400 µm.
Skúšobný orgán na stanovenie parametrov
Na stanovenie rôznych parametrov sa použili dve rôzne „nové“ skúšobné telesá: Klin s 5 dlhými otvormi a dutými guľami zavedený do skutočných odliatkov (1).
5-dierový klin je veľmi vhodný na to, aby ukázal, ktorú hrúbku materiálu je možné ešte určiť, pretože otvory sú pripevnené pozdĺž osi, na ktorej sa materiál neustále zväčšuje. Obrázok 1 to ukazuje ako príklad v porovnaní s meraním hluku.
Dutá guľa simuluje skutočnú chybu realistickejšie ako vŕtanie, pretože ostré hrany na hrane sa nezobrazia.
Ako algoritmus na hodnotenie obrazu sa používa nelineárna difúzia (2).
Hluk v ASD so scintilátorom
Obrazový šum je tvorený šumom z detektora a kvantovým šumom. Hluk moderného detektora predstavuje niekoľko digitálnych hodnôt a dá sa použiť v aplikáciách s expozičnými časmi najviac
| Obrázok 2: Účinky rôznych časov integrácie | Obrázok 3: Účinok rôznych predfiltrov |
Účinky (pred) filtrov
Filtre pred trubicou posúvajú strednú energiu trubice na vyššie hodnoty, pretože hodnoty nižšej energie sú absorbované predfiltrom. To znamená, že na detektore je menej signálu, ale odfiltrované energie prispievajú iba málo k užitočnému signálu a zlepšuje sa tiež pomer signálu k šumu. Nasledujúce obrázky boli urobené pomocou odliatku, v ktorom bola vyrobená 1,5 mm dutá guľa a 1 mm otvor (žlté šípky na obrázku 3 v strede hore; dutá guľa vpravo).
Je vidieť, že bez predfiltru je vidno veľa malých pseudoštruktúr, pri vhodnom výbere predfiltru (tu 0,5 mm medi) je obraz jasnejší a malé štruktúry zmiznú. Ak je predfilter príliš veľký, obraz bude rozmazaný a zníži sa kontrast skutočných chýb; ak sa teraz zvýši citlivosť systému, do obrazu sa pridajú pseudoštruktúry s väčšou plochou.
Účinok rôznych parametrov skúmavky
Parametre elektrónky, ktoré je možné nastaviť, zahŕňajú čas (pozri vyššie), prúd elektrónky (s podobnými účinkami) a napätie elektrónky na nastavenie energie.
Merania ukazujú, že ak je energia príliš nízka, testovacia časť je osvetlená iba nedostatočne; obraz je matný a citlivosť systému na detekciu otvoru a dutá guľa musí byť značne zväčšená. Toto vytvára veľa pseudoštruktúr, najmä na okrajoch testovacej časti. Príliš vysoká energia spôsobuje v tomto ohľade oveľa menšie škody, mierne nižší kontrast v porovnaní s optimálnym nastavením sa dá ľahko kompenzovať citlivosťou bez toho, aby vzniklo veľa pseudoštruktúr.
 |
 |
Merania ukazujú, že obraz má lepšie SNR so zvyšujúcim sa prúdom elektrónky (pozri vyššie). Jediným obmedzením, ktoré je potrebné brať do úvahy, je maximálna kapacita detektora; veľa detektorov má tendenciu nadmerne vyžarovať, ak je kvantový počet príliš vysoký. Detektor, ktorý dokáže previesť čo najviac kvant, je ideálne vhodný pre tu uvedenú aplikáciu.
V porovnaní bola energia potrebná na fluoroskopiu 80 mm hliníka stanovená na 140 kV; detektor série AG4 od spoločnosti PerkinElmer môže pri tomto napätí absorbovať 1 000 W; pre detektor série AL1 musel byť výkon znížený na 200 W; rovnomerne sivé pozadie vyplýva zo skutočnosti, že detektor už pracoval v sýtosti.
| Obrázok 6: Detektor typu AG4 (vľavo), detektor typu AL1 s optimálnymi röntgenovými parametrami (vpravo) | Obr. 7: Detektor typu AG4 (vľavo), detektor typu AL1 s optimálnymi röntgenovými parametrami (vpravo) |
Na všetkých obrázkoch boli integrované 3 rámčeky. Detektor AL1 je stále vhodný pre danú úlohu až do hrúbky materiálu 25 mm, pri väčších hrúbkach materiálu bude šum veľmi silný. Detektor AG4 dokáže stále detekovať 0,8 mm dlhý otvor až do hrúbky materiálu približne 60 mm, 1,5 mm dlhý otvor je stále detekovaný nepretržite až do 75 mm.
Účinok geometrického rozmazania
Priblížením testovaného objektu k röntgenovej trubici sa dosiahne zväčšenie, vďaka ktorému je možné malé chyby lepšie zviditeľniť.
Na druhej strane je tu veľkosť ohniska, ktorá v obraze spôsobí rozmazanie.
Ďalej, najmä pri systémoch ADR, je potrebný čo najkratší čas na testovanie, preto by sa mala čo najväčšia časť dať do jedného obrazu. Preto je potrebné malé zväčšenie
 |
Diagram vpravo zobrazuje najlepšiu detekciu chýb pre danú veľkosť ohniska a rozstup detektora (tu: 0,4 mm). Pre automatickú detekciu chyby sa predpokladá, že chyba pokrýva najmenej 2,5 susedných pixelov v každom smere.
V prípade často používanej elektrónky s ohniskovým bodom 1,0 mm (0,4 podľa starého štandardu), sú matematicky najlepšie výsledky detekcie chýb pri zväčšení približne 1,3. Pri väčšom zväčšení sa rozmazanie v dôsledku veľkosti ohniska zvyšuje viac, ako zväčšenie umožňuje jeho rozpoznanie.
Obrázok vpravo zobrazuje kompletný obraz detektora so zväčšením 2. Obrázok vľavo ukazuje časť detektorového obrazu, v ktorej bola testovaná časť relatívne blízko detektoru; zastúpenia boli zmenšené na porovnateľnú veľkosť.
Účinok pohybu
Ak sa testovaná časť počas snímania obrazu pohne, dôjde k pohybovému rozmazaniu. Miernemu pohybu sa obvykle nedá vyhnúť, pretože testovaný objekt by sa mal počas testu pohybovať rýchlo z jednej polohy do druhej. Následnému kmitaniu testovaného objektu po dosiahnutí polohy sa potom dá len ťažko zabrániť. Nasledujúci text je určený na to, aby ukázal, ako sú pohyby zobrazené na detektorovom obraze. Základom je tu detektor PerkinElmer, ktorý sa číta zhora a zdola rovnobežne so stredom
Na rozdielovom obrázku medzi zastavením a pohybom s rýchlosťou 1,5 mm/s (rozpadajúci sa pohyb) je vidieť, že v hornej a dolnej časti obrazu - vyznačený šípkami - stále pretrvával pohyb, ktorý však počas načítania ustúpil takmer na nulu, ako v prípade Pozri stred obrázka.
Účinok rozkladu je možné použiť, ak namiesto iba jedného rámca sú nakreslené tri rámy jeden za druhým a priemerná hodnota je vypočítaná z týchto troch rámcov.
Obrázok 11 zobrazuje rozpadajúci sa pohyb rýchlosťou 1,5 mm/s, zaznamenaný vľavo s 1 rámcom a vpravo s 3 rámcami. Kvôli dlhšiemu času záznamu a integrácii je pohybové rozostrenie „integrované preč“.
| Obrázok 10: Účinok pohybu: Zastavenie (vľavo), 1,5 mm/s (vpravo), 12 mm/s (dole) | Obrázok 11: Čiarový profil s 1 rámom (vľavo), líniový profil s 3 rámami a diferenciálny profil (vpravo |
Záver
Nasledujúce závery vyplývajú z meraní
- Šum vytvára falošné detekcie (pseudos)
- Viac snímok znamená menej šumu a tým pádom aj menej pseudonahrávok s lepšou detekciou chýb
- Najväčší prírastok na kvalite je od 1 do 3 snímok
- S niekoľkými snímkami je pohybové rozmazanie tiež integrované preč
- Bez predfiltru rozptýlené žiarenie spôsobí, že obraz bude hlučný
- Predbežný filter, ktorý je príliš silný, redukuje užitočný signál a vytvára „matný“ obraz
- Príliš málo kV neprípustne obmedzuje využiteľnú oblasť
- Príliš veľa kV však zníži kontrast a zvýši šum .
- . príliš veľa kV je vhodnejšie ako príliš malé kV
(platí pre digitálne ploché detektory s dostatočnou kvantovou kapacitou) - Málo elektriny neprináša dobrý obraz; zisk sa zvyšuje iba pri prúdoch >> 1mA
(platí pre digitálne ploché detektory s dostatočnou kvantovou kapacitou) - Správny detektor prináša najväčší zisk
- Optimálne zväčšenie pre systémy ADR je okolo 1,3